大功率(10kW)集中式直流供电LED路灯照明系统方案V20

-1-大功率（10kW）集中式直流供电LED路灯照明系统方案2013年12月13日1.概述集中直流供电是理想的LED路灯驱动方式，这样可以采用较细的输电线缆，使总系统造价与传统的钠灯系统相当，影响LED推广的造价高这一重要障碍不复存在。但大功率恒流开关电源制造的难度和代价都极高，因此实际上没有人采用这种方案。而云杉光电的交流直驱LED路灯具有对供电电压自适应的特点，交流直流供电均可，且对电源要求极低，三相交流电进行简单的整流后即可直接供电，工频电压变化、线损等均不会对灯具性能指标造成影响。云杉光电提出的这种方案既有节约线缆的建造成本优势，又有节电的运行成本优势，是目前看来最佳的路灯照明解决方案。2.LED灯具的集中式直流供电与传统交流供电系统的比较(a)传统交流供电系统LED灯具直接连接交流电网，一方面受电网的影响很大，例如电网对灯具的EMC影响和电网传输过来的雷击影响；另一方面，每只LED灯具都需有EMC、整流、功率因数校正、滤波、功率驱动、逆变降压、稳电压输出或再稳流输出至-2-LED光源。灯具控制装置的电路复杂、元器件多,灯具成本高。而且相对而言，安全、EMC问题比较突出。这些使LED灯具的可靠性低并影响寿命。(b)集中式直流供电系统LED灯具连接在控制柜电源模块的直流输出端，一方面，基本不受交流电网对灯具的电磁干扰（EMC）影响和不受交流电网侧传输过来雷击的影响(当然也还是需要抵抗雷击打在直流线路上传输过来的脉冲影响)；另一方面，每只LED灯具可以不需要EMC、整流、功率因数校正、滤波、功率驱动、逆变降压等电路和元件。只需很少辅助元器件,直接输出至串联的LED光源。如此，灯具控制装置的电路非常简单，可靠性非常高，寿命可以很长，这对于使用环境条件恶劣的道路和隧道照明工程非常有利。3.国内外同类研究进展情况关于直流电驱动LED灯具的研究探索，国内外都有机构在从事相关工作。日本东北大学等研究机构在研究灾害时电力供应时候，试验直流供电驱动几百只LED灯具。中国南方电网和地方政府也在实验集中式直流供电给LED路灯。但是目前从他们的报道和文档看，普遍使用的是大功率直流稳压电源或者恒流电源。图1，结构框图主要有两方面的缺点(a)稳压部分的损耗很大，电源效率典型值90%，那么对于10kW的电源而整流滤波稳压DC-DCAC380VLED灯具-3-言，就有1000W的发热，发热量太大了，配电柜的散热条件满足不了。(b)尽管电源输出是恒压或者恒流的，但是长线缆的线损较大，尾端的LED灯具的电压比近端的LED灯具的电压降低较多，那么若是灯具以近端灯具为基准采用同样配置的光源，则各LED等发光不一样，尾端显得暗；反之，以尾端灯具为基准配置，则近端灯具就过于亮了。4.我们的方案云杉光电的交流直驱LED路灯具有对供电电压自适应的特点，交流直流供电均可，且对电源要求极低，三相交流电进行简单的整流滤波而不需要稳压即可直接供电，工频电压变化、线损等均不会对灯具性能指标造成影响。交流直接驱动LED灯具的可靠性也非常高，没有普通LED灯具的开关电源具有的变压器、电感、电解电容、耐高压MOS管等易损坏元器件，从结构上保证了可靠性。根据供电电压自适应分配负载，可以应对高低压、高低温等极端工况。-4-5.系统原理示意图图2，系统原理示意图-5-6.开关自动型LED灯具的优点图3，开关自动型LED驱动原理图4，AC驱动电流电压波形模型7.参数表参数名称数值优点功率10kW量级1，非常成熟的产品模块，能够通过国家安规标准和检验。2，能够驱动55套180W灯（比如一个灯杆两个路灯，-6-分别是120W主路和60W辅路）。输入电压380Vac三相交流电路灯配电箱就是此市电配置输出电压537Vdc(=380*2)与380Vac用电安全注意事项一致。输出电流19A(=10kW/537V）电流小，所需电缆截面积小，线损也较小。功率因数PF=0.9无功损耗非常小总谐波失真THD=20%总谐波失真较小三相平衡三相平衡表1，参数表8.典型道路照明配置对10kW直流电源，可以驱动55套180W。这180W可以是主路120W配辅路60W路灯。对道路而言，以每30m一根灯杆计算，那么当电源从一端引入且10kW道路单边情况，相当于能够驱动1650m的距离。9.电缆截面积的选型序号铜电线型号单芯载流量（25℃）(A)VVYJV11.5mm2/c202522.5mm2/c283534mm2/c3850-7-46mm2/c4860510mm2/c6585616mm2/c90110725mm2/c115150表2，通用电缆选型表9.1.负荷计算表1中直流电源输出电流只有18.62A(=10000W/(380V*1.414))，参照表2数据，如果按照允许发热条件来选取电缆的话，可以看出1.5mm2已能满足要求，从日常生活经验看这个数据都是不太合适的，主要是没有考虑电压降的问题。9.2.电压降的校验根据城市道路照明设计标准的规定，末端电压降比例=10%根据参考文献1的公式(3)，电压降比例%2)1(*10)*(Pu%2ennuXtgRnii，其中Pe——每盏路灯的有功功率,kW，此处为0.18kW;un——线路的额定电压,kV，此处为0.537kV;Ri——每档路灯线路的电阻,Ω，跟线径有关；Xi——每档路灯线路的感抗,Ω，跟线径有关；Φ——相位差，单灯功率因数为cosΦ，此处cosΦ=0.9，故tg(arccos0.9)=0.4843n——路灯灯具个数，此处n=55。-8-对VV电缆，交流电阻和感抗表格如下，比我们不稳压的直流差别不算大，故以此做数据。表3，不同线径电阻和感抗表电压降要求=10%，所以104.0)155(*55*18.0537.0*200)1(*200*22nnPuXtgRenii47.303.0104.0**rLXtgRxtgiiii从表3查询获悉，6mm2是合适的线径。另外的优点是，本方案仅仅使用2线，加上地线是3线；而交流供电则需要三相四线，加上地线就是三相五线。节省大量线缆成本。同时，线缆较细，也不易被盗窃。10.三相平衡和缺相运行时候-9-一般使用三相交流电的路灯线缆配置方案，以及缺一相表现，如下图所示，。-10-图5，三相交流电的连线图，和缺相运行时的表现而如果使用本文介绍的方案，即大功率（10kW）直流电源统一驱动较多盏LED路灯，直流电源输入是三相交流电，输出是直流电一对线。故而本方案还有一个优点是三相平衡。同时，缺一相运行时候，也不会出现如图2所示的灭了1/3之一灯的情况，而是所有的灯具都亮，只不过功率下降，功率因数也下降。功率功率因数三相100%0.9二相80%0.7一相50%0.5表4，缺相运行的功率和功率因数的变化11.材料成本和运行成本对比1650m道路一侧，灯杆间距30米，54个灯杆，每个灯杆2盏灯，主路辅路各1盏。对LED灯，是120W+60W，对钠灯是250W+150W。-11-序号大功率直流电源统一驱动LED灯方案自携带恒流开关电源的LED灯钠灯备注1每灯杆上的灯具单价300035001500254个灯杆的灯具总价16200018900081000(2)=(1)x503大功率直流电源4000004电缆规格6mm2x2+4mm2x1正负两根线加地线10mm2x4+6mm2x1三相五线16mm2x4+10mm2x1三相五线5电缆单价（元/m）1535556电缆长度(m)1620162016207电缆费用243005670089100(7)=(5)x(6)8材料成本总价￥190,300￥245,700￥170,100(8)=(2)+(3)+(7)9每灯杆灯具所耗功率(W)180180400-12-1054个灯杆灯具功率(W)9720972021600(10)=(9)x5011电源效率99.5%90%65%12实际功率97691080033231(12)=(10)/(11)13平均每日照明时间(h)11.3511.3511.3514每年耗电(kWh)4047044742137667(14)=(12)x(13)x365/100015电价（元/kWh）0.81250.81250.812516每年电费（元）32,88236,353111,854(16)=(14)x(15)17灯具寿命（年）420.5184年内更换灯具费用027,00075,600钠灯泡按照200元每个灯杆配置；普通LED等按照电源更换估算。194年内高车使用费、人工费000暂时不计入其中20平均每年运行成本总价￥32,882￥43,103￥130,754(20)=(16)+((18)+(19))/4-13-表5，材料成本和运行成本对比12.参考文献[1]，黄成、付永锋，路灯电压损失的简易计算，山西建筑，2004年11月，第30卷，第22期。